Изучение явления дифракции света

Лабораторная работа № 1.

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

 

 

Краткие теоретические сведения

Явление дифракции

 

 

Принцип Гюйгенса-Френеля

 

 

Условие максимумов при дифракции на одной щели

 

 

Условие минимумов при дифракции на одной щели

 

 

Условие максимумов дифракционной решетки

 

 

Дифракционная решетка

 

 

Теорема Бабине

 

 

Ширина дифракционной полосы

 

Период дифракционной решетки

 

Экспериментальная часть.

Установка, на которой выполняется данная работа, состоит из источника света (газовый лазер), экрана с отверстием, дифракционной решетки и держателя, в котором можно укрепить либо щель с регулируемой шириной, либо проволочную нить в специальной оправе. Элементы установки располагаются на оптической скамье.

Обращаем внимание на то, что попадание в глаза прямого лазерного пучка опасно для зрения. При работе с лазером его излучение можно наблюдать только после отражения от рассеивающих поверхностей.

Задание 1

Включить лазер (с помощью преподавателя). На дальнем от лазера конце оптической скамьи установит экран с отверстием так, чтобы излучение лазера проходило сквозь отверстие. Между лазером и экраном (на расстоянии y = 100 см от экрана) установить дифракционную решетку так, чтобы ее плоскость была перпендикулярна лучу лазера. При этом на экране должна появиться дифракционная картина. Наложить на экран лист бумаги и отметить положение максимумов интенсивности. Измерив, расстояние между центральным максимумом порядка m = 0 и соседним максимумом первого порядка (m = 1), определить длину волны излучения лазера по формуле .

Расстояние между максимумами m =0 и m=1 порядка x= м,

Расстояние от решетки до экрана y= м,

Период дифракционной решетки d= м,

Длина волны излучения лазера м.

 

Задание 2

Установить между лазером и экраном с отверстием (на расстоянии y = 100 см от экрана) держатель с закрепленной в оправе проволочной нитью. Разворотом держателя добиться, чтобы картина была симметричной относительно отверстия экрана. Наложить на экран лист бумаги, проделав отверстие в его центре для входа лазерного луча, и отметить положения дифракционных максимумов на листе.

Согласно теореме Бабине, дифракционная картина от нити и от щели, ширина которой равна диаметру нити, совершенно одинаковы.

Ширина щели, определяемая по барабану микрометрического винта, будет равна диаметру нити.

Номер опыта	d, м	Среднее значение диаметра проволоки, м

Задание 3

Убедиться в том, что при изменении ширины щели меняются расстояния между соседними дифракционными максимумами и минимумами на экране.

 

∆x	а

График зависимости

Вывод:

Лабораторная работа № 2.

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

 

 

Краткие теоретические сведения.

Уравнение плоской волны

 

 

Когерентные волны

 

 

Явление интерференции волн

 

 

Связь оптической разности хода и разности фаз

 

 

Связь оптической разности хода и разности фаз

 

 

Условие максимумов для разности хода

 

 

Условие минимумов для разности хода

 

 

Полосы равного наклона

 

Полосы равной толщины

Экспериментальная часть.

В качестве источника света используется газовый лазер. Его излучение характеризуется рядом свойств, главными из которых являются высокая степень когерентности и монохроматичности, малая угловая расходимость. Схема установки

Л - лазер, Э - экран с отверстием, О - объектив (короткофокусная линза) в оправе, П - плоскопараллельная пластинка. Элементы установки расположены на оптической скамье и снабжены юстировочными винтами, что позволяет установить их по высоте, а также изменять вертикальный наклон.

Обращаем внимание на то, что попадание в глаза прямого лазерного пучка опасно для зрения!

При работе с лазером его излучение можно наблюдать только после отражения от рассеивающих поверхностей.

Ход работы.

Высокая степень когерентности лазерного излучения позволяет наблюдать интерференцию световых волн при очень большой оптической разности хода. При выполнении этого задания толстую плоскопараллельную стеклянную пластину П освещают расходящимся световым пучком, который получают с помощью микроскопического объектива О.

Когерентные световые волны, излучаемые лазером, отражаясь от передней и задней поверхностей пластины, интерферируют при наложении и дают на экране Э интерференционную картину в виде концентрических светлых и темных колец. Здесь r_k - радиус темного кольца на экране, соответствующего k - му порядку интерференции, l₁ -расстояние от точки фокуса линзы до передней поверхности пластины, l₂ - расстояние между пластиной и экраном, b - толщина пластины.

Установить пластину П на расстоянии l₂ = 1250 мм от экрана Э. Включить лазер (с помощью преподавателя). С помощью юстировочных винтов установить пластину так, чтобы отраженный от нее пучок падал в центр отверстия экрана Э. Установить объектив О на расстояние l₁ = 100 мм от пластины П (расстояние l₁ измеряется между пластиной и плоскостью оправы объектива, с которой совмещена точка его фокуса). С помощью юстировочных винтов установить объектив так, чтобы луч лазера проходил через его центр, а луч, отраженный от его плоской поверхности, попадал в центр отверстия на экране. После этого на экране должны появиться интерференционные кольца. Их центр должен совпадать с центром отверстия на экране.

Измерения.

Укрепить на экране лист бумаги с отверстием, проделанным в его центре, чтобы луч лазера мог свободно проходить сквозь отверстие в экране. Отметить на листе карандашом диаметрально противоположные точки, соответствующие пяти соседним темным интерференционным кольцам, начиная с кольца самого меньшего диаметра. После этого измерить диаметры этих колец и найти их радиусы r_N. Номера N = 1,2,3 и т.д. приписывают кольцам в порядке возрастания их радиусов (номер N = 1 приписывают первому темному кольцу, которое полностью видно вблизи отверстия экрана).

 

 

Результаты измерений и расчетов занесем в таблицу.

N
rN, м
, м^2
n

Длина волны лазерного излучения - 632× 10^-9 м. Толщина пластины b= м.

Расчетные формулы: , .

График зависимости =f(N)

По графику определить тангенс угол наклона прямой к оси абсцисс , полученное значение использовать при расчете показателя преломления пластины n.

Вывод:

Лабораторная работа №3.

Экспериментальная часть.

Схема монохроматора

Защитное окно 2 служит для поглощения ультра­фиолетовой части спектра испускания ртутной лампы. Конденсор 3 и входная линза 4 дают изображение источника излучения 1 на входную щель 5 моно­хроматора. Пройдя линзу 6 входного коллиматора, свет параллельным пучком падает на сложную призму 7 и предиспергировав на ней, проходит через линзу 8 выходного коллиматора, которая собирает излучение определенной длины волны на входную щель 9. Враще­нием призмы 7 можно выводить на выходную щель 9 или на отсчетное остриё, помещённое на место этой щели, излучение различных длин волн. Линза 10 окуляра служит для визуального наблюдения спектра излучения.

Задание 1. Градуировка монохроматора.

Напротив входной щели монохроматора установить ртутную лампу. Вращая отсчетный барабан так, чтобы при каждом отсчёте направление вращения было одинаковым, установить спектральные линии ртути против отсчетного острия и записать соответствующие длины волн и деления шкалы N в таблицу.

 

N,°
, м
N,°
, м
N,°
, м

 

 

По результатам измерений построить градуированный график монохро­матора. По оси абсцисс (ось x) отложить длины волн, а по оси ординат (ось y) – деления шкалы.

Задание 2. Определение длин волн испускания.

Заменить ртутную лампу на неоновую. Определить деления шкалы для наиболее ярких двух красных, красно-оранжевой, желтой и зеленой линий испускания неона и по градуировочному графику найти соответствующие значения длин волн. Результаты занести в таблицу.

Цвет линии
N,°
, м

 

Вывод:

Лабораторная работа № 4.

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

 

 

Задание 1

На оптической скамье устанавливаются осветитель (источник света), два поляризатора (поляроиды), линза и экран. Поворачивая поляроид на 360 относительно первоначального положения, описать наблюдения и объяснить явление

 

 

Задание 2

После выполнения задания 1 один из поляроидов заменить стопой Столетова. Вращая поляроид или стопу Столетова вокруг оптической оси, описать наблюдаемое явление и объяснить, почему при вращении стопы Столетова не наблюдается полного гашения света.

 

 

Задание 3

Между осветителем (источником света) и экраном установить оправу с кристаллом исландского шпата и линзу. Перемещением кристалла и линзы добиться получения на экране двух ярко освещенных пятен. Установить между линзой и экраном поляризатор. Описать наблюдаемые явления и объяснить причину и условия гашения обыкновенного и необыкновенного лучей.

 

 

Задание 4

Для наблюдения фотоупругости установить осветитель, поляроид и балку из органического стекла в металлической рамке с винтом, второй поляроид, линзу и экран. Медленно вращая винт, сдавить балку и вызвать в ней напряжения.

Описать наблюдаемое явления

 

 

Задание 5

Между лазером и экраном установить поляроид с лимбом так, чтобы луч лазера проходил через центр поляроида. Между поляроидом и экраном установить фотоприемник с микроамперметром так, чтобы излучение лазера попадало в объектив фотоприемника. Поворачивая поляризатор от 0⁰ до 360⁰ (через 10⁰), исследовать зависимость фототока от угла между плоскостями лазерного поляризованного излучения и поляризатора. На основании результатов измерения построить график зависимости фототока от угла между указанными плоскостями (в полярных координатах). Объяснить особенности этого графика в соответствии с законом Малюса.

I,А

 

I,А

 

 

Задание 6

На пути лазерного луча установить оправу с лимбом, в которой закреплена стеклянная пластина, помня о том, что отраженное лазерное излучение не должно попадать в глаза.

Вычисления:

 

Вывод:

Лабораторная работа №5.

Краткая теория

Абсолютно черное тело

 

Закон Стефана-Больцмана

 

Закон Вина

 

Закон Кирхгофа

 

Испускательная способность тела

 

Ультрофиолетовая катастрофа

 

 

Экспериментальная часть

Задание 1

№ п/п	U, В	I, А	Температура, t^0C	tср ^0C	tист ^0C	Т, К	, Вт/м^2×К^4.
t1	t2	t3	t4

s=1,04∙10^-4м²

Формула для расчета =

 

 

График зависимости P=f(T)

 

Вывод:

Лабораторная работа № 6.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО

ФОТОЭФФЕКТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

 

Задание 1

Задание 2

Лабораторная работа № 1.

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ СВЕТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: